Моделирование показывает, что темная материя может вращаться в стабильных вихревых сетях, придавая галактикам гладкие, сплющенные ядра.
Концептуальное изображение сверхтекучей темной материи.
Источник: Николай Каплун/Getty Images
Это может показаться невероятным, но новые исследования показывают, что темная материя не является бесформенной, а на самом деле может вести себя как космическая сверхтекучая жидкость, образуя закрученные вихревые линии и устойчивые вращающиеся ядра, известные как солитоны, внутри галактик.
Если эта теория подтвердится, она может перевернуть представление ученых о скрытой архитектуре космоса — от сердцевины галактик до гигантских структур, которые их соединяют.
Исследование проводит удивительные параллели между квантовым миром конденсатов Бозе-Эйнштейна (БЭК) и грандиозными космическими масштабами темной материи.
Превращение темной материи в сверхтекучую жидкость
Тёмная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной. Она не излучает и не поглощает свет, что делает её невидимой для телескопов. Традиционно учёные описывают её как бесстолкновительную, невзаимодействующую и холодную жидкость частиц, известную как холодная тёмная материя (ХТМ).
Эта модель успешно объясняет крупномасштабные структуры, такие как скопления галактик, но испытывает трудности в меньших масштабах, где наблюдения показывают более гладкие ядра галактик вместо резких пиков плотности, предсказываемых CDM.
Чтобы разгадать эту загадку, исследователи обратились к моделям, включающим сверхлёгкие аксионоподобные частицы, массы которых варьируются от 10⁻²² до одного электронвольта. Эти частицы настолько лёгкие, что ведут себя скорее как волны, чем как отдельные частицы, и их движение описывается уравнением Шрёдингера, а не обычными уравнениями, используемыми для столкновительной материи.
Когда эти частицы также испытывают отталкивательные самовзаимодействия, их поведение напоминает поведение квантовой сверхтекучей жидкости, управляемой нелинейным уравнением Шредингера, называемым уравнением Гросса-Питаевского — тем же уравнением, которое используется для описания конденсатов Бозе-Эйнштейна в лабораториях на Земле.
В таких сверхтекучих системах вращение ведёт себя иначе, чем в обычных жидкостях. Вместо плавного вращения поток остаётся безвихревым, а это означает, что вращение может происходить только через квантованные вихри — крошечные области, где фаза жидкости становится сингулярной, образуя миниатюрные водовороты.
Теперь возникает вопрос: если темная материя ведет себя как этот тип квантовой жидкости, могут ли подобные вихри образовываться внутри вращающихся гало темной материи?
Моделирование вращающихся гало темной материи
Чтобы найти ответ, исследователи объединили аналитические расчеты и детальное численное моделирование вращающихся гало темной материи.
Они сосредоточились на том, что физики называют режимом Томаса – Ферми, где размер гало значительно превышает типичную квантовую длину волны (длину волны де Бройля) частиц тёмной материи. Моделирование началось со сферических гало сверхлёгкой тёмной материи, обладающих небольшим угловым моментом, что приводило к слабому космическому вращению.
Затем группа ввела случайные начальные условия и позволила системе развиваться в соответствии с уравнением Гросса–Питаевского, которое естественным образом включает в себя гравитацию и отталкивательные взаимодействия между частицами темной материи.
Всего за несколько динамических времен (времени, необходимого материи для того, чтобы отреагировать на гравитационные силы) гало претерпело поразительную трансформацию. Оно образовало вращающийся солитон – плотное, устойчивое ядро, вращающееся подобно твёрдому телу.
Это вращение не было вызвано простым квантово-механическим вращением всей волновой функции, а возникло из сети вихревых линий, пронизывающих гало.
Эти вихревые линии — космические эквиваленты водоворотов — выстраивались в соответствии с направлением полного вращения гало. В экваториальной плоскости они образовывали регулярную решётку, создавая плавное, твёрдотельное вращение.
Общая структура напоминала сплющенный сфероид, сплющенный вдоль оси вращения, и была динамически устойчивой до тех пор, пока энергия вращения оставалась меньше гравитационной и самовоздействующей энергий.
Интересно, что моделирование показало, что эти вихри могут действовать как «квантовые каркасы» внутри гало тёмной материи, и исследователи предполагают, что вихревые линии могут даже соединять соседние гало. «Эти вихревые линии могут простираться и дальше между гало, образуя основу вращающихся космических нитей», — отмечают авторы исследования.
А что если это правда?
Если тёмная материя действительно ведёт себя как сверхтекучая жидкость, наполненная квантованными вихрями, это может произвести революцию как в космологии, так и в физике элементарных частиц. Такая модель естественным образом объясняет, как галактики могут плавно вращаться без плотных центральных каспов, а также может предсказывать уникальные гравитационные сигнатуры.
Эти открытия также устраняют неожиданный разрыв между квантовой физикой и космологией. Например, те же уравнения, которые описывают холодные атомы, охлажденные почти до абсолютного нуля в лабораторных экспериментах по БЭК, могут управлять невидимой материей, формирующей галактики в миллиардах световых лет от нас.
Однако это только начало. Текущая работа сосредоточена в основном на упрощённых вращающихся гало и опирается на нерелятивистское моделирование. Теперь исследователи планируют распространить свой анализ на полностью трёхмерные системы, где вихревые линии превращаются в вихревые кольца, и изучить, как эти структуры взаимодействуют и эволюционируют.
Подробнее об этом исследовании можно прочитать здесь и здесь.
Sourse: interestingengineering.com
